DE2411069C3 - Dynamisch vorgespannte Differentialverstarkeranordnung - Google Patents
Dynamisch vorgespannte DifferentialverstarkeranordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine dynamisch vorgespannte Differentialverstärkeranordnung mit einem Differentialverstärker,
der ein Transistorpaar und einen Eingangssignalanschluß aufweist, der mit einem der
beiden Transistoren des Differentialverstärkers verbunden ist, und mit einer Stromquelle für einen eingeprägten
Strom.
Differentialverstärkeranordnungen dieser Art werden insbesondere in Codierern verwendet, die daher
nachfolgend in erster Linie berücksichtigt werden.
Bei PCM-Nachrichtenübertragungsanlagen werden
kontinuierliche Informationssignale wie etwa Sprechsignale durch eine Folge von EIN- und AUS-Impulsen
dargestellt. Die Umwandlung von analogen in digitale Signale erfolgt durch periodisches Abtasten, Quantisieren
und Codieren der Amplitude jeder der Abtastproben in ein Binärcodewort. Beim Quantisieren wird der
genaue Pegel des zeitveränderlichen Eingangssignals durch einen aus einer Anzahl von diskreten Werten, die
Quantisierungspegel genannt werden, angenähert. Die Differenz zwischen dem Augenblickswert des Eingangssignals und dem tatsächlich übertragenen Quantisierungspegel
wird Quantisierungsfehler genannt und verursacht die bekannte Quantisierungsverzerrung.
Die Quantisierungsverzerrung ist besonders unerwünscht und kann sehr oft nicht hingenommen werden,
wenn die Amplitude des Eingangssignals klein ist, aber gewöhnlich unbedeutend, wenn die Amplitude des
Eingangssignals groß ist. Soll eine qualitativ höherwertige Übertragung erreicht werden, ist es deshalb
wünschenswert, wesentlich mehr Abtastproben von den kleineren Amplituden des Eingangssignals und verhältnismäßig
weniger Abtastproben von den größeren Amplituden des Eingangssignals zu nehmen. Die
unerwünschten Auswirkungen eines Quantisierungsfehlers können also reduziert werden, wenn man die
Quantisierungsfehler im Bereich kleinerer Amplituden des Eingangssignals, wo eine Quantisierungsverzerrung
schwer wiegen würde, um den Preis eines höheren Quantisierungsfehlers im Bereich größerer Amplituden,
wo eine größere Verzerrung hingenommen werden kann, verringert
Weil die zu codierenden eingangsseitigen Analogsignale mit ihren positiven und negativen Anteilen
normalerweise symmetrisch um die Null- oder Zeitachse liegen, kann der Quantisierungsvorgang noch
genauer werden, wenn ein Teil des Eingangssignals ähnlich, wie das bei einem Doppelweggleichrichter
geschieht, um die Nullachse umgeklappt wird. Ein solcher Doppelweggleichrichter klappt die negativen
Halbwellen eines sinusförmigen Wechselstromeingangssignals um die Nullachse in die Lücken zwischen
den positiven Halbwellen nach oben. Die Vorteile liegen auf der Hand. Zum Beispiel kommt ein Codierer, der bei
Signalspitzenwerten von +3 und -3 Volt 256 ungleiche Quantisierungspegel bildet, mit nur 128 Pegeln · (plus/
Polarität) aus, um ein Signal über einen Bereich von 3Voit (0 bis +3VoIt) zu codieren, wenn er die
negativen Teile des Eingangssignals umklappt
Eine Schaltung zur Realisierung dieses Umklapp- und Codieningsverfahrens weist eine Vorspannungsschaltung
als Konstantstromquelle für einen eingeprägten Strom, einen Differentialverstärker, einen Differentialschalter
und ein angepaßtes, aus Widerständen aufgebautes Gewichtungsnetzwerk auf, die sämtlich in Reihe
geschaltet sind. Das zu codierende Eingangssignal wird an den Differentialverstärker angelegt und das einem
Komparator und einer logischen Schaltung zugeführte Ausgangssignal vom Gewichtsnetzwerk abgenommen.
Das Gewichtungsnetzwerk kann ein Widerstands-Leiternetzwerk sein, das von der logischen Schaltung
gesteuert wird, um Spannungsstufen oder Strombezugswerte zu bilden, mit denen die Signale für Codierungszwecke verglichen werden. Der Differentialschalter
wird von einem Netzwerk betätigt, das entsprechend der Polarität und Frequenz des Eingangssignals
synchronisiert und nullgesetzt wird, um die gewünschte Umklappwirkung zu erreichen. Weil der eingeprägte
Strom durch das Gewichtungsnetzwerk, den Differentialschdter
und Differentialverstärker konstant ist, führen irgendwelche Veränderungungen der angepaßten
Bauelemente, z. B. Widerstandsänderungen der angepaßten Widerstände des Codierungsnetzwerkes, zu
einem Fehler im Umklappverfahren, der konstant ist (das heißt der konstante eingeprägte Strom multipliziert
mit den Änderungen Δ R der Widerstände erzeugt eine Fehlerspannung AV). Dieser konstante Fehler ist für
Eingangssignale größerer Amplituden unproblematisch, bei denen die Verzerrung toleriert werden kann. Er
wiegt aber außerordentlich schwer, wenn die Eingangssignale kleinere Amplituden haben, wie das bereits
zuvor in Verbindung mit dem Quantisierungsfehler diskutiert wurde.
Damit auch kleinere Eingangssignal-Amplituden codiert werden können, ist es erforderlich, daß der
durch das Umklapp- und Codierungsverfahren eingeführte Fehler auf Spannungamplituden begrenzt wird,
die wesentlich kleiner als die Amplitude des niedrigsten Quantisierungspegels sind. Beispielsweise ist für 256
ungleiche Quantisierungspegel ein Umklappgenauigkeitsgrad von 4000 zu 1 von Nöten. Dieser Genauigkeit
steht hauptsächlich der durch die Widerstandsänderungen im Codierungs- und Vorspannungsnetzwerk entstehende
konstante Codierfehler entgegen. Für 256 Quantisierungsstufen wäre eine Widerstandsgenauigkeit
von 0,01% oder besser zu fordern, um die
gewünschte Codierungsgenauigkeit zu erreichen. Eine solche Genauigkeit ist beim derzeitigen Stande der
Technik praktisch weder zu erreichen noch aufrechtzuerhalten. Verwendet man derzeit erhältliche Bauelemente,
dann besteht das Ergebnis darin, daß ungenau codiert wird, wodurch dann wiederum eine Signalverzerrung
in den Nulldurchgängen und ein starkes Leerlaufrauschen entsteht
Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, die
Störempiindlichkeit der Differentialverstärkeranordnung gegen Bauteilabweichungen und Schwankungen
im Betrieb im Bereich kleiner Signale ohne Einschränkung der Dynamik zu verringern, d. h., es sollen auch
große Signale verarbeitet werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Differentialverstärkeranordnung der eingangs
genannten Art und ist gekennzeichnet durch eine Schaltung zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms,
deren Eingang mit dm Eingangssignalanschluß der Differentialverstärkeranordnung und
deren Ausgang mit der Kollektor-Emitterstrecke der Transistoren des Differentialverstärkers verbunden ist,
um dem Differentialverstärker abhängig von Amplitudenänderungen des Eingangssignals einen zusätzlichen,
veränderlichen Strom zuzuführen.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Schaltung zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms
den zusätzlichen Strom gegensinnig zur Eingangssignalampiitude der Kollektor-Emitterstrecke
der beiden Transistoren des Differentialverstärkers zuführt
Weil der eingeprägte oder Ruhestrom über den Hauptcodierungsweg also von der Amplitude des
Eingangssignals abhängt und nicht entsprechend den zu erwartenden Amplitudenspitzenwerten des Eingangssignals
im voraus festgelegt ist, sind der Spannungsabfall IAR und die Basis-Leckströme in der Umklappschaltung
zur Amplitude des Eingangssignals proportional. Der Fehler bleibt also für größere Eingangssignal-Amplituden,
für die er toleriert werden kann, ungefähr gleich dem Fehler, der bei Schaltungen mn konstantem Strom
auftritt.
Für kleinere Eingangssignal-Amplituden wird der Fehler aber merklich auf einen Wert reduziert, den man
ohne weiteres tolerieren kann. Aufgrund des kleineren Fehlers für kleinere Eingangssignal-Amplituden können
Dünnschicht-Bauelemente ebensogut wie leicht im Handel erhältliche Bauelemente verwendet werden,
ohne daß auf Signallinearität verzichtet werden muß.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung genauer beschrieben.
In der Zeichnung sind sechs gestrichelt umrandete Einzelbaugruppen dargestellt, die als Grundnetzwerke
zu verstehen sind. Diese sechs Einzelbaugruppen sind: Längskompensationsschaltung, Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk,
Differentialschalter, Differentialverstärker, Stromquelle für eingeprägten Strom und
Schaltung zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms, nachfolgend auch kurz Stromsteuerschaltung
genannt
Eine eingangsseitige C· <...·. 1 liefert das umzuklappende
und zu codierende Eingangssignal über einen Kondensator 2 an den Eingang der Schaltung zum
dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms (Stromsteuerschaltung) an den Eingang des Differentialverstärkers.
Das Eingangssignal liefert ferner direkt an der Treiberschaltung 3 an, die über ihre Ausgangsanschlüsse
mit dem Differentialschalter verbunden ist. Das in die Stromsteuerschaltung eingekoppelte Eingangssignal
liegt dort an der Basis des Transistors 4. Der Kollektor des Transistors 4 ist über einen Widerstand 5
an eine Quelle mit positivem Potential angeschlossen. Der Emitter des Transistors 4 ist über einen Widerstand
7 mit einem Widerstand 8 und über den letzteren dann wiederum mit dem Emitter eines Transistors 9
verbunden. Die Widerstände 7 und 8 können den gleichen Wert haben. Die Basis des Transistors 9 liegt an
Erde und sein Kollektor über einen Widerstand 10 an der Quelle mit positivem Potential. Die Basis eines
weiteren Transistors 11 in der Stromsteuerschaltung ist mit dem Kollektor des Transistors 4 verbunden. Der
Kollektor des Transistors 11 liegt direkt an der Quelle mit positivem Potential.
Ferner ist die Basis eines Transistors 12 mit dem Kollektor des Transistors 9 verbunden. Der Transistor
12 ist ebenfalls direkt an die Quelle mit positivem Potential angeschaltet, und zwar über seinen Kollektoranschluß.
Die Emitter der als Doppelweggleichrichter arbeitenden Transistoren 11 und 12 sind zusammengeschaltet
und über einen gemeinsamen Widerstand 13 an eine Quelle mit negativem Potential angeschlossen. Die
beiden weiteren Transistoren 15 und 16 der Stromsteuerschaltung sind basisseitig zusammengeschaltet und
mit dem gemeinsamen Emitteranschluß der Transistoren 11 und 12 verbunden. Dem Emitter des Transistors
15 ist ein Widerstand 17 und dem Emitter des Transistors 16 ein Widerstand 18 vorgeschaltet. Diese
beiden Widerstände sind dann ihrerseits zusammengeschaltet und liegen über einen weiteren Widerstand 19
der Längskompensationsschaltung an der Quelle mit positivem Potential. Die Basis und der Kollektor des in
der Längskompensationsschaltung angeordneten Transistors 20 sind über den Widerstand 19 zusammengeführt.
Der Emitter des Transistors 20 ist mit dem Gewichts- und Codierungsnetzwerk verbunden.
Das Gewichtungsnetzwerk 21, dessen Funktion noch besprochen wird, ist mit dem Emitter des Transistors 20
der Längskompensationsschaltung verbunden. Der Emitter des Transistors 20 liegt ferner über einen
Widerstand 22 am negativen Eingangsanschluß eines Komparators 23. Das Ausgangssignal des Komparators
23 wird an die Treiberschaltung 3 angelegt, um das treibende Signal mit der Polarität des verglichenen und
zu codierenden Signal zu synchronisieren. Die Quellenimpedanz des Gewichtungsnetzwerkes 21 wird durch
einen Widerstand 25 dargestellt, der mit dem positiven Eingangsanschluß des Komparators 23 verbunden ist.
Am Ausgang des Komparators liegt neben der Treiberschaltung 3 eine logische Schaltung 26, die
ausgangsseitig mit dem Gewichtungsnetzwerk 21 verbunden ist, und von der das Ausgangssignal der
Umklapp- und Codierungsschaltung abgeht.
Der Differentialschalter weist 8 Transistoren auf, die paarweise in Darlington-Schaltung angeordnet sind.
Demgemäß sind neben den Kollektoren etwa der beiden Transistoren 27 und 28 des Differentialverstärkers
auch die Basis des Transistors 27 und der Emitter des Transistors 28 zusammengeschaltet. Die Basis des
Transistors 28 liegt ferner an der Treiberschaltung 3 und über eine Diode zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit
des Transistors 28 am Emitter desselben. Die Diode ist so gepolt, daß sie nur in Richtung auf die Basis leitet.
b5 Die Diode 29 bildet auch einen Weg für Transistorleckströme,
um zu verhindern, daß Ungenauigkeiten codiert werden, die auf diese Ströme zurückzuführen sind. Die
Transistoren 30 und 31 bilden ebenfalls eine Darlington-
Schaltung. Die Kollektoren der beiden Transistoren sind miteinander verbunden und liegen über einen
Widerstand 22 am Gewichtungsnetzwerk. Außerdem ist die Basis des Transistors 30 wiederum an den Emitter
des Transistors 31 angeschaltet. Der Emitter des Transistors 30 ist mit dem Emitter des Transistors 27
verbunden. Ähnlich wie im Falle der Diode 29 ist eine Diode zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit und
zum Ableiten von Leckströmen zwischen dem Emitter des Transistors 31 und seiner Basis vorgesehen. Die
Basis des Transistors 31 ist mit dem anderen Ausgangsanschluß der Treiberschaltung 3 verbunden.
Auch die beiden Transistoren 33 und 34 bilden eine Darlington-Schaltung. Die Basis des Transistors 33 liegt
an der Basis des Transistors 3! und dem zweiten Ausgang der Treiberschaltung 3. Die Transistoren 33
und 34 sind kollektorseitig zusammengeschaltet, wie das
auch für den Emitter des Transistors 33 und die Basis des Transistors 34 der Fall ist Die miteinander verbundenen
Kollektoren der Transistoren 33 und 34 sind über einen Widerstand 25 mit dem Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk verbunden. Über dem Emitter und der Basis
des Transistors 33 ist eine Diode 36 zum Erhöhen der Schaltgeschwindigkeit und zum Ableiten von Leckströmen
angeordnet, die so gepolt ist, daß sie nur in Richtung auf den Basisanschluß des Transistors leitet.
Sie erfüllt den gleichen Zweck wie die Diode 29. Der Emitter des Transistors 37 der vierten Darlington-Schaltung
ist mit dem Emitter des Transistors 34 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 37 und 38
sind zusammengeschaltet und über den Widerstand 22 dem Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk verbunden.
Der Emitter des Transistors 38 liegt gleichzeitig an der Basis des Transistors 37 und die Basis des
Transistors 38 an einem Ausgangsanschluß der Treiber-Schaltung 3 mit dem auch die Basis des Transistors 28
verbunden ist. Über dem Emitter und der Basis des Transistors 38 ist wiederum eine Diode 39 vorgesehen,
die die Schaltgeschwindigkeit des Transistors erhöht, Leckströme ableitet und nur in einer Richtung, nämlich
vom Emitter zur Basis des Transistors 38 leitet.
Der zum Differentialverstärker gehörende Transistor 40 ist kollektorseitig mit den zusammengeschalteten
Emittern der Transistoren 27 und 30 und dem Kollektor des Transistors 16 verbunden. Die Basis des Transistors
40 liegt an Erde. Dem Emitter dieses Transistors ist ein Widerstand 41 vorgeschaltet. Der Kollektor des
zweiten Transistors 42 des Differentialverstärkers ist mit dem Kollektor des Transistors 15 und den
zusammengeschalteten Emittern der Transistoren 34 und 37 verbunden. Die Basis des Transistors 42 liegt
über einen Widerstand 50 an Erde. Sie ist ferner über einen Koppelkondensator 2 mit der Eingangssignalquelle
1 verbunden. Der Emitter des Transistors 42 liegt über einen Widerstand 43 zugleich am eben erwähnten 5i
Widerstand 41. Die Widerstände 41 und 43 können die gleichen Widerstandswerte haben.
Die Stromquelle für eingeprägten Strom umfaßt die beiden Transistoren 44 und 45. Sie hält einen konstanten
Strom im Verbindungspunkt zwischen den beiden bo Widerständen 41 und 43 des Differentialverstärkers und
im Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 7 und 8 der Stromsteuerschaltung aufrecht Der
Kollektor des Transistors 44 ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 41 und 43 und b5
der Kollektor des Transistors 45 an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 7 und 8
angeschaltet Die Basis der beiden Transistoren 44 und 45 liegt über den Widerstand 46 an Erde und über den
Widerstand 47 an einer Quelle mit negativem Potential. Ebenfalls mit dieser Quelle verbunden sind der Emitter
des Transistors 45 über den Widerstand 48 und der Emitter des Transistors 44 über den Widerstand 49.
Ehe die Funktion jedes dieser Bauelemente detailliert geschildert wird, soll zunächst auf die Funktion der
Baugruppen eingegangen werden. Die Treiberschaltung 3 betätigt den Differentialschalter entsprechend der
Polarität und der Frequenz des von der Signalquelle 1 gelieferten Eingangssignals. Der Differentialschalter übt
eine Umklappfuntkion aus, d. h. er liefert an die beiden vorzeichenverschieden dargestellten Eingänge des
Komparators 25 ungeachtet der Polarität des von der Signalquelle 1 abgegebenen Wechselstromsignals Eingangssignale
einer einzigen Polarität Die Treiberschaltung wird mit dem Signal der Signalquelle 1 so
synchronisiert, daß das Signal zum Betätigen des Differentialschalters nach Phase, Polarität und Frequenz
gleich dem von der Signalquelle 1 abgegebenen Eingangssignal ist. Eine Schaltung für diesen Zweck, die
z. B. aus Flipflops besteht, welche mit der Polarität und Phase des zu codierenden Eingangssignals auf null
gesetzt werden, kann vom Fachmann entworfen werden.
Der Differentialverstärker verstärkt das Eingangssignal. Die Wirkungsweise dieser Schaltung, die in der
Zeichnung als unsymmetrische Schaltung dargestellt ist, ist bekannt. Die Stromsteuerschaltung steuert den
Kollektorstrom, der zu den beiden Differentialverstärkertransistoren fließt, entsprechend der Amplitude
des Eingangssignals in einer noch zu beschreibenden Weise. Die Stromquelle für eingeprägten Strom führt
den Verbindungspunkten zwischen den Widerständen 7 und 8 und den Widerständen 41 und 43 konstante
Ströme zu.
Die Längskompensationsschaltung gleicht große Spannungsunterschiede aus, die von Längs- auf
Querzweigspannungen übertragen werden können und dann einen Fehler am Eingang des Komparators 23
bewirken.
Das Codieren des analogen Eingangssignals geschieht durch Vergleichen von zum analogen Eingangssignal
proportionalen Spannungen oder Strömen mit einer von vielen Bezugsspannungen und -strömen, die
vom Gewichtsnetzwerk erzeugt werden. Die Vergleichsergebnisse werden dann der logischen Schaltung
26 zugeführt und dort zu einem Wort im PCM-Code zusammengestellt. Das Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk ist bereits bekannt Näheres darüber entnehme
man beispielsweise der Textstelle Seiten 583—585 in »Transmission Systems für Communications«, 4. Auflage,
verfaßt von Mitgliedern des technischen Stabes der Bell Telephon-Laboratorien. Im einzelnen wird der
Strom durch die Widerstände 22 und 25 in Übereinstimmung mit der Amplitude des Eingangssignals verändert,
worauf später noch eingegangen wird. Die Änderungen der über diesen Widerständen abfallenden Spannungen
werden vom Komparator 25 mit den Bezugsausgangsspannungen des Gewichtsnetzwerkes verglichen und an
die logische Schaltung zum Codieren als PCM-Wort weitergegeben. Das Gewichtungsnetzwerk 21 kann
irgendein Digital-Analogwandler sein, z. B. das aus
Widerständen aufgebaute Leiter- und Schaltnetzwerk, das in Fig.25—13 auf Seite 584 der vorerwähnten
Literaturstelle dargestellt ist Dieses Netzwerk erzeugt unter der Steuerung der logischen Schaltung 26 eine
Reihe von Spannungen oder Strömen vorherbestimm-
ter Abstufung, bis die Spannung über dem Widerstand 22 größer als die Summe der Spannungen wird, die über
dem Gewichtungsnetzwerk 21 und dem Widerstand 25 abfallen. Die logische Schaltung setzt dann das
Gewichtungsnetzwerk zurück und erzeugt ein PCM-Wort als Ausgangssignal, woraufhin das Verfahren für
die nächste Eingangsabtastprobe wiederholt wird.
Ehe die Schaltung genauer erläutert wird, ist es sinnvoll, kurz darauf einzugehen, warum der Differentialverstärker
dynamisch vorgespannt werden muß. Eine Schaltung ohne dynamische Vorspannung würde
die Transistoren 4, 9, 11, 12, 15 und 16 und die diesen Transistoren zugeordnete Beschallung nicht aufweisen.
Auch würden der Transistor 45 und der Widerstand 48 der Stromqueiie nicht erforderlich sein. Wenn man die
Längskompensationsschaltung einen Moment außer acht läßt und annimmt, daß der Verbindungspunkt
zwischen dem Gewichtungsnetzwerk 21 und dem Widerstand 22 direkt an der Quelle mit positivem
Vorspannungspotential liegt, dann würde die sich ergebende Schaltung das Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk,
den Differentialschalter, den Differentialverstärker und die Stromquelle umfassen. Wenn nun
kein Eingangssignal an dieser Schaltung ohne dynamische Vorspannung anliegt; würden symmetrische und
gleiche Ströme von der Quelle mit positivem Potential (in der Zeichnung oben) über die beiden Stromzweige
oder -pfade mit den Widerständen 22 und 25, die zusammen den Hauptcodierungspfad bilden, zur Quelle
mit negativem Potential (in der Zeichnung unten) fließen. Der linke Zweig dieses Hauptcodierurigspfades
würde das Gewichtungsnetzwerk 21, den Widerstand 25, die Transistoren 27 und 28, den Transistor 40, den
Widerstand 41, den Kollektor-Emitterweg des Transistors 44 und den Widerstand 49 der Stromquelle bis hin
zur Quelle mit negativem Potential einschließen. Der rechte Zweig dieses Hauptcodierungspfades umfaßt den
Widerstand 22, die Transistoren 37 und 38, den Transistor 42, den Widerstand 43, den Kollektor-Emitterweg
des Transistors 44 und den Widerstand 49 der Stromquelle bis zur Quelle mit negativer Vorpsannung.
Wie bereits beschrieben, würde das Codieren in dieser modifizierten Schaltung ebenfalls durch Vergleichen der
Spannungen und/oder Ströme des Gewichtungsnetzwerkes 21 und der Widerstände 22 und 25 erfolgen. Der
eingeprägte Strom im Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 41 und 43 des Differentialverstärkers, der
vom Transistor 44 der Stromquelle kommt, wird auf einem konstanten Wert gehalten.
In dieser Schaltung ohne dynamische Vorspannung ist deshalb die Summe der Ströme in jedem Stromzweig
des Codierungspfades immer gleich dem eingeprägten, konstanten Strom, der vom Transistor 44 aufrechterhalten
wird. Weil der Spannungsfehler bei dem Umklapp- und Codierungsverfahren betragsmäßig kleiner als die
Spannung des niedrigsten Quantisierungspegels sein soll, muß die Änderung AR der Widerstände 22 und 25
im Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk begrenzt werden auf
_ _ Kleinstzulässiger Spannungsfchler
Eingeprägter Strom
Eingeprägter Strom
Dabei wird der jgrforderliche Wert des eingeprägten
Stromes durch den Strom bestimmt, der für Signalamplitudenspitzenwerte
nötig ist, wenn im wesentlichen der gesamte Strom durch den einen oder anderen
Stromzweig des Hauptcodierungspfades fließt. Für die
bO
65 256 Quantisierungspegel und ein Eingangssignal mit
einem Amplitudenspitzenwert von 3 V würde das z. B. bedeuten, daß die Widerstände 22 und 25 Toleranzen
von 0,012% oder besser haben müssen, um die Fehlerspannung IAR auf annehmbare Werte zu
begrenzen. Ganz ähnlich müssen die Widerstände 41 und 43 des Differentialverstärkers so gewählt werden,
daß die Veränderungen AR nur geringfügig sind. Des weiteren müssen die Transistoren 27,28, 30, 31, 33, 34,
37 und 38 des Differentialschalters so gewählt werden, daß ihr Basisstrom im wesentlichen den Wert Null hat,
damit eine Ungleichheit dieser Ströme nicht auch die Ströme in jedem Zweig des Codierungspfades ungleich
macht und dadurch ein Fehler entsteht. Widerstände mit Toleranzen von 0,012% und Transistoren mit Basis-Emitterleck-
oder Verlustströmen vom Betrag Null sind jedoch beim gegenwärtigen Stand der Technik nicht
verfügbar.
Die Funktion der dynamischen Stromsteuerschaltung kann am besten dadurch erläutert werden, daß man
zunächst annimmt, daß die Signalquelle 1 kein Eingangssignal liefert. Für diese Eingangssignalbedingung
ist der Strom /1 durch den Kollektor-Emitterweg des Transistors 4 ungefähr gleich dem Strom h durch
den Kollektor-Emitterweg des Transistors 9. Wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist, sind die Transistoren 4
und 9 wie ein Differentialverstärker mit einem unsymmetrischen Eingangssignal geschaltet. Die Arbeitsweise
einer solchen Schaltung ist bekannt. Der eingeprägte Strom /3 im Knotenpunkt zwischen den
Widerständen 7 und 8 ist immer gleich der Summe der Ströme /1 und /2 und wird von dem Transistor 45
konstant gehalten. Die Widerstände 5 und 10 sind so gewählt, daß sie im wesentlichen gleich sind. Folglich ist
das Basispotential der beiden Transistoren 11 und 12
ungefähr gleich. Das Basispotential der beiden Transistoren 15 und 16, deren Basen zusammengeschaltet und
mit den ebenfalls zusammengeführten Emittern der Transistoren 15 und 16 verbunden sind, ist genügend
klein, um einen Strom durch diese Transistoren zu ermöglichen. In Abwesenheit eines Eingangssignals sind
die Ströme U bzw. /5 etwas kleiner als die Ströme h bzw.
/7.
Die Transistoren 40 und 42 des Differentialverstärkers bilden eine unsymmetrische Differentialverstärkerschaltung.
In Abwesenheit eines Eingangssignals von der Quelle 1 sind die Ströme h und /7 deshalb wie im
Falle der Ströme /1 und k der Transistoren 4 und 9
gleich. Der Transistor 44 der Stromquelle hält den Strom /8 konstant, der der Summenstrom der Zweigströme
h und A ist. Der Wert des Stromes h wird, wie
bereits in Verbindung mit der Umklapp- und Codierungssschaltung ohne dynamische Vorspannung erörtert
wurde, entsprechend dem Strom gewählt, der für ein Eingangssignal der Quelle 1 mit maximaler
Amplitude zu fordern ist Ist also das Eingangssignal Null, dann ist der Strom /9 im linken Zweig des
Hauptcodierungspfades mit dem Gewichtungsnetzwerk 21 und dem Widerstand 25 gleich der Differenz der
Ströme h und /4 und der Strom /10 im rechten Zweig des Hauptcodierungspfades mit dem Widerstand 22 gleich
der Differenz der Ströme /7 und /5.
Wenn ein Eingangssignal mit maximaler Amplitude und positiver Polarität anliegt, dann wird der Transistor
4 der dynamischen Stromsteuerschaltung derart vorgespannt, daß er vollständig leitet, wodurch der Strom 1\
beträchtlich anwächst Weil die Summe der Ströme im Knotenpunkt zwischen den Widerständen 7 und 8 gleich
dem Strom I3 sein muß, nimmt der Kollektor-Emitterstrom
k des Transistors 9 entsprechend ab. Der angewachsene Strom I\ bewirkt, daß das Basispotential
des Transistors 11 abfällt. Das Absinken des Stromes I2
bewirkt, daß das Basispotential des Transistors 12 anwächst. An den Transistor 12 wird also eine
Basis-Emittervorspannung angelegt, die diesen in den leitenden Zustand versetzt. Das Emitterpotential des
Transistors 11 steigt nun steil an, und zwar bis zum Basispotential des Transistors 12 minus dem kleinen ι ο
Spannungsabfall über der Basis-Emitterstrecke des Transistors 12. Der Transistor 11 ist also jetzt gesperrt,
und der Transistor 12 leitet. Der Strom fließt von der Quelle mit positivem Potential (in der Zeichnung oben)
über den Kollektor-Emitterweg des Transistors 12 und den Widerstand 13 zur Quelle mit negativem Potential.
Die zusammengeschalteten Basen der Transistoren 15 und 16 sind mit den ebenfalls zusammengeschalteten
Emittern der Transistoren 11 und 12 verbunden, und das
positivere Potential am Emitter des Transistors 12 bewirkt, daß die Ströme /4 bzw. /5 durch die
ICollektor-Emitterwege der Transistoren 16 bzw. 15 abfallen. Für ein Eingangssignal mit maximaler Amplitude
fallen also die Ströme /4 und /5 auf einen geringen Wert ab.
Das Eingangssignal mit maximaler Amplitude wird auch an die Basis des Transistor 42 angekoppelt und
zwar über den Kondensator 2. Steigt das Basispotential des Transistors 42 in positiver Richtung, dann wächst
auch der Kollektor-Emitterstrom /7 des Transistors, und der Kollektor-Emitterstrom /6 des Transistors 40 nimmt
ab, wobei der Strom k im Knotenpunkt zwischen den Widerständen 41 und 43 konstant gehalten wird. Wie
zuvor erläutert wurde, bewirkt ein positives Eingangssignal mit maximaler Amplitude, daß die Ströme /4 und
/5 von der Stromsteuerschaltung auf einen kleinen Wert abfallen. Außerdem bewirkt ein positives Eingangssignal
maximaler Amplitude, daß der Strom /7 ungefähr gleich dem Vorspannungsstrom k ist, der betragsmäßig
so gewählt ist, daß er dem für Eingangssignale maximaler Amplitude geforderten Strom entspricht.
Der Strom /10 ist also ungefähr gleich dem Strom /7 und
fließt von der Quelle mit positivem Potential über den Kollektor-Emitterweg des Transistors 20, den Widerstand
22 des Codierungs- und Gewichtungsnetzwerkes, die Transistoren 37 und 38 des Differentialschalters, den
Kollektor-Emitterweg des Transistors 42, den Widerstand 43 des Differentialverstärkers, den Kollektor-Emitterweg
des Transistors 44 und den Widerstand 49 zur Quelle mit negativem Potential. (Die Transistoren 37
und 38 des Differentialschalters werden von der Treiberschaltung 3 in den leitenden Zustand überführt,
die, wie bereits erwähnt, mit dem Signal der Eingangssignalquelle 1 synchronisiert ist und auf Null
gesetzt wird. Die Treiberschaltung 3 versucht ferner, die Transistoren 27 und 28 für den behandelten Fall, daß ein
positives Eingangssignal vorliegt, leitend zu machen. Wie aber bereits erwähnt wurde, ist der Strom /9, der
diese Transistoren durchfließt, für positive Signale maximaler Amplitude klein gegenüber dem Strom /10.)
Ein negatives Eingangssignal maximaler Amplitude, das von der Quelle 1 an die Basis des Transistors 4 der
Schaltung zur Steuerung der dynamischen Vorspannung und den Transistor 42 des Differentialverstärkers
angelegt wird, reduziert den Kollektor-Emitterstrom jedes dieser beiden Transistoren. Der Kollektor-Emitterstrom
/1 des Transistors 4 sinkt also. Hingegen steigt der Kollektor-Emitterstrom I2 des Transistors 9 in
dem Maße, wie der Strom /1 absinkt. Weil die Summe der Ströme I\ und I2 gleich dem Strom /3 ist, der vom
Transistor 45 konstant gehalten wird, bewirkt eine Abnahme des Stromes /1, daß das Basispotential des
Transistors 11 ansteigt, daß er leitend wird. Wenn der
Transistor 11 leitet, liegt am Emitter des Transistors 12 das Basispotential des Transistors 11 abzüglich einer
kleinen Potentialdifferenz zwischen den Basis-Emitteranschlüssen des Transistors 11 an. Der Transistor 12
wird dadurch gesperrt. Das positive Emitterpotential des Transistors 11 liegt aber auch an den Basen der
Transistoren 15 und 16 an, die deshalb weniger leiten und nur noch kleine Kollektor-Emitterströme U und A
führen.
Das an die Basis des Transistors 42 angelegte negative Eingangssignal bewirkt, daß der Koüektor-Emitterstrom
I1 dieses Transistors abfällt, weil der
S'rom /5 nur klein ist. Das gleiche gilt auch für den vom
Hauptcodierungs- und Gewichtungsnetzwerk über den Hauptcodierungsweg zufließenden Strom /10. Deshalb
fließt für den Fall, daß ein negatives Eingangssignal mit maximaler Amplitude anliegt, in der Umklapp- und
Codierungsschaltung ein Strom von der Quelle mit positivem Potential (in der Zeichnung oben) über den
Kollektor-Emitterweg des Transistors 20 der Längskompensationsschaltung, den Widerstand 22 des Gewichtungs-
und Codierungsnetzwerkes, die Transistoren 30 und 31 des Differentialschalters, den Kollektor-Emitterweg
des Transistors 40, den Widerstand 41 des Differentialverstärkers, den Kollektor-Emitterweg des
Transistors 44 und den Widerstand 49 zur Quelle mit negativem Potential. (Die Transistoren 30 und 31 des
Differentialschalters werden von der Treiberschaltung 3 entsprechend der Polarität des Eingangssignals in den
leitenden Zustand überführt. Die Treiberschaltung versucht ferner, die Transistoren 33 und 34, leitend zu
machen. Wie aber bereits erwähnt, ist der Strom /10, der
diese Transistoren durchfließt, klein. Der Differentialschalter sorgt also dafür, daß der Strom durch die
Widerstände 22 und 25 und das Gewichtungsnetzwerk 21 des Gewichtungs- und Codierungsnetzwerkes
ungeachtet der Polarität des Eingangssignais in einer Richtung fließt, d. h., die Polarität an den Eingangsanschlüssen
des Komparators 23 ist immer dieselbe.
Sowohl für positive als auch für negative Eingangssignale maximaler Amplitude ergibt sich also, daß die
Ströme durch die Zweige des Hauptcodierungspfades im wesentlichen dieselben wie bei Schaltungen sind, die
nicht dynamisch vorgespannt werden. Weil die Eingangssignalamplituden groß sind, sind die durch
Widerstandstoleranzen bewirkten und dem Strom proportionalen Fehler sowie die Transistor-Basisströme
jedoch anteilsmäßig klein und belasten das Codierungsoder Quantisierungsverfahren nur mit einem sehr
kleinen Fehler. Vorteile durch dynamisches Vorspannen ergeben sich deshalb erst für Eingangssignale mit
Amplituden, die kleiner als die maximalen Amplituden sind und besonders für Signale mit verhältnismäßig
kleinen Amplituden. Um das zu zeigen, wird angenommen, daß die Signalquelle 1 Eingangssignale relativ
kleiner Amplitude liefert
Wenn ein positives Eingangssignal kleiner Amplitude anliegt, steigt der Kollektor-Emitterstrom /1 des
Transistors 4 und fällt der Kollektor-Emitterstrom I2 des
Transistors 9. Das Anwachsen des Stromes /1 bewirkt, daß das Basispotential des Transistors 11 abfällt, und die
Abnahme des Stromes h bewirkt, daß das Basispotential
des Transistors 12 anwächst Das größere Basispotential
des Transistors 12 abzüglich der Potentialdifferenz an den Basis-Emitteranschlüssen dieses Transistors wird an
den Emitter des Transistors 11 angelegt, um dessen Leitfähigkeit zu begrenzen bzw. um ihn zu sperren.
Obwohl der Gleichspannungspegel am Emitter des Transistors 12 gegenüber dem Gleichspannungspegel
des Eingangssignals fest ist, ist das am Emitter des Transistors 12 auftretende pulsierende Signal nichtsdestoweniger
der Amplitude des Eingangssignals proportional. Also sind die Ströme k bzw. /5 durch die
Transistoren 15 bzw. 16 proportional zum Emitterpotential der Transistoren 11 und 12, das dann wiederum
zur Eingangssignalamplitude proportional ist.
Das als Beispiel angeführte positive Eingangssignal kleiner Amplitude von der Quelle 1 liegt auch an der
Basis des Transistors 42 des Differentialverstärkers an, erhöht den Kollektor-Emitterstrom /7 dieses Transistors
und vermindert proportional dazu den Kollektor-Emitterstrom h des Transistors 42 des Differentialverstärkers.
Der Kollektor-Emitterstrom /7 des Transistors 42 ist die Summe der Zweigströme /5 und /10, während
der Kollektor-Emitterstrom k des Transistors 40 die Summe der Zweigströme U und /9 ist Weil der Strom k
vom Transistor 44 konstant gehalten wird, ist die Summe der Ströme /6 und I7 gleich dem Strom /8. Es
bringt nun verschiedene Vorteile mit sich, den in das Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk fließenden
(Strömen /9 und /10 bei Signalen kleiner Amplitude die
tStröme U und /5 zuzuführen. Zunächst müssen die !Ströme /9 und /10 durch die Widerstände 22 und 25 jedes jo
Stromzweiges des Gewichtungs- und Codierungsnetzwerkes zusammen nicht gleich dem konstanten Strom h
zu sein, der für Signale maximaler Amplitude gewählt werden muß. Statt dessen sind die Ströme h und /10 nur
zum Augenblickswert des Eingangssignals und zu den js
Bezugssignalen des Gewichtungsnetzwerkes proportional. Deshalb steht der auf die Widerstände 22 und 25
zurückzuführende Fehler IAR im selben relativen Verhältnis zu einer kleinen Eingangssignalamplitude
wie zu einer großen. Weil das Verhältnis der Fehler relativ zu den Eingangssignalamplituden immer dasselbe
bleibt, sind die Fehler für sämtliche Eingangssignalamplituden tragbar, und zwar im Gegensatz zu einer
Umklapp- und Codierungsschaltung ohne dynamisch vorgespannten Differentialverstärker, bei der die Fehler
nur tragbar sind, wenn die Amplitude des anliegenden Eingangssignals groß ist. Die Widerstände 22 und 25 der
Umklapp- und Codierungsschaltung brauchen deshalb nur Toleranzen handelsüblicher Bauelemente aufzuweisen
und können unter Verwendung von Dünnschichtverfahren hergestellt werden. Ein zweiter Vorzug der
vorge-schlagenen Anordnung mit dynamischer Vorspannung
besteht darin, daß, weil die Ströme /9 und /10
proportional zum Eingangssignal sind, die Basisströme der Differentialschaltertransistoren proportional klei- γ-,
ner werden, wodurch gleichfalls dazu beigetragen wird, daß dieser Fehler auf akzeptable Werte sinkt Ein dritter
und vielleicht der wichtigste Vorzug der dynamisch vorgespannten Anordnung ist darin zu sehen, daß es
möglich ist, durch Zuführen der Ströme zu den bo
Kollektoren der Differentialverstärkertransistoren die Verstärkung derselben relativ konstant zu halten.
Ein negatives Eingangssignal mit einer Amplitude, die kleiner als die maximale Amplitude ist, wird in derselben
Weise wie in positives Eingangssignal, umgeklappt und b5
codiert Für ein negatives Eingangssignal nimmt der Strom /1 ab, und der Strom h steigt proportial dazu an.
Der Transistor 11 wird dabei so vorgespannt daß er leitet und den Transistor 12 sperrt. Die Kollektor-Emitterströme
/4 und /5 der Transistoren 15 und 16 sind dann proportional zur Eingangssignalamplitude. Der
Kollektor-Emitterstrom /7 des Transistors 42 des Differentialverstärkers wird kleiner, und der Kollektor-Emitterstrom
h des Transistors 40 steigt an. Der Strom I6 ist der Summenstrom der beiden Zweigströme U und
/9. Die Ströme /4, /5, h, /7, h und /10 sind alle proportional
zur Eingangssignalamplitude. Jeder der bereits für positive Eingangssignale beschriebenen Vorteile läßt
sich also auch erzielen, wenn ein negatives Eingangssignal anliegt.
Die Längskompensationsschaltung gleicht den Einfluß großer Spannungsänderungen aus, die zu einer
Umwandlung von Gleichtakt- in Gegentakt-Spannungen führen und dadurch einen Fehler am Eingang
des Komparators 23 bewirken können. Wenn man z. B. annimmt, daß die Quelle 1 ein großes positives oder
negatives Eingangssignal abgibt, dann wächst, wie bereits erläutert wurde, entweder der Strom /9 oder /10
durch das Codierungs- und Gewichtungsnetzwerk schnell und stark an. Dieser stark anwachsende und der
Quelle mit positivem Potential entnommene Strom durchfließt den Kollektor-Emitterweg des Transistors
20 der Längskompensationsschaltung. Wie bereits erläutert, sinken die Ströme /4 und /5 durch die
Transistoren 15 und 16 der dynamischen Stromsteuerschaltung im Falle eines Eingangssignals mit maximaler
Amplitude auf einen geringfügigen Wert ab. Folglich nimmt auch der Strom durch den Widerstand 19 der
Längskompensationsschaltung so weit ab, daß er vernachlässigbar ist, und macht das Basispotential des
Transistors 20 positiver. Das positivere Basispotential des Transistors 20 erzwingt eine Erhöhung des
Emitterpotentials des bezeichneten Transistors und will 'die Längsspannung aufheben, die durch das Anwachsen
der über den Widerständen 22 und 25 abfallenden Spannung zustande kam, und zwar verursacht durch
eine Zunahme der Ströme b oder /10. Folglich steigt die
Spannung in dem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen dem Emitter des Transistors 20, dem Gewichtungsnetzwerk
21 und dem Widerstand 22 betragsmäßig so weit an, daß sie jetzt dichter am Potential der Quelle mit
positivem Potential liegt als das vor Anlegen des großen Eingangssignals der Fall war. Die abrupte Änderung des
Spannungsabfalles entweder über dem Widerstand 22 oder dem Widerstand 25, die auf den durch den
angewachsenen Strom ausgelösten Stromstoß zurückzuführen ist, welch letzterer wieder dadurch bewirkt
wird, daß ein Eingangssignal mit großer Amplitude anliegt, wird also durch den Potentialanstieg in dem
zuvor erwähnten Knotenpunkt ausgeglichen. Die mittlere Spannung in diesem Knotenpunkt bleibt also
relativ konstant und der im Komparator 23 vorgenommene Vergleich der Spannungen bzw. Ströme über denn
bzw. durch das Gewichtungsnetzwerk 2t, dem Widerstand 22 und den Widerstand 25 ist allein in Bezug
darauf erforderlich, wie sich der Strom in dem einen oder dem anderen der beiden Stromzweige des
Hauptcodierungspfades ändert
Eine Gleichtakt-Gegentaktspannungsumwandlung und der damit verbundene Fehler wird dadurch im
wesentlichen vermieden.
Obwohl die dynamische Stromsteuerschaltung mit einem unsymmetrischen Differentialverstärker arbeitet
könnte auch ein symmetrischer Differentialverstärker verwendet werden, indem die Basis des Transistors 9 an
die zweite Signalquelle angekoppelt wird, deren Signal
als Eingangssignal an der Basis des Transistors 40 des Differentialverstärkers anliegt Obwohl ferner der
Differentialverstärker und die dynamische Stromsteuerschaltung im Rahmen einer Umklapp- und Codierungsschaltung dargestellt sind, könnte sie ebenso gut überall
dort verwendet werden, wo dynamisch vorgespannt werden soll.
Hierzu 1 Blatt Zeichnuneen
Claims (2)
1. Dynamisch vorgespannte Differentialverstärkeranordnung mit einem Differentialverstärker,
der ein Transistorpaar und einen Eingangssignalanschluß aufweist, der mit einem der beiden Transistoren
des Differentialverstärkers verbunden ist, und mit einer Stromquelle für einen eingeprägten Strom,
gekennzeichnet durch eine Schaltung (5, 4, 7-13, 15 — 18) zum dynamischen Steuern des
Differentialverstärkerstroms, deren Eingang mit dem Eingangssignalanschluß der Differentialverstärkeranordnung
und deren Ausgang mit der Kollektor-Emitterstrecke der Transistoren (40, 42) des Differentialverstärkers verbunden ist, um dem
Differentialverstärker abhängig von Ampiitudenänderungen des Eingangssignals einen zusätzlichen,
veränderlichen Strom (Zt, /5) zuzuführen.
2. Differentialverstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung
zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms (4,5, 7-13,15-18) den zusätzlichen
Strom gegensinnig zur Eingangssignalamplitude der Kollektor-Emitterstrecke der beiden Transistoren
(40,42) des Differentialverstärkers zuführt.
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